【供稿：物理学院】近日，吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室李达教授与宁波大学崔田教授合作，在揭示电子辐照下过渡金属硫化物纳米带到纳米线的转变机制方面取得重要进展。相关工作以“Why Does a Transition Metal Dichalcogenide Nanoribbon Narrow into a Nanowire under Electron Irradiation?”为题，于2024年11月26日发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上。
材料尺寸的缩小激活了物质的奇异特性，如量子约束效应和表面/边界效应。将二维（2D）材料缩减为一维（1D）材料（如纳米带、纳米管和纳米线）后，可以展现出与母体二维材料截然不同的特性。在1D纳米材料中，M₆X₆纳米线（M=过渡金属；X=硫族元素）因其亚纳米宽度（< 1 nm）和金属特征，在1D电子通道、自旋电子学、光电子学和催化等领域具有重要的应用潜力。在实验中，通过电子束蚀刻母体2D过渡金属二硫族化合物（TMDCs）单层，成功合成了单根1D M₆X₆纳米线。具体来说，电子束在TMDCs单层的特定区域内产生两个相邻的孔，这两个孔在连续照射下迅速扩展，连接它们之间的纳米带逐渐缩窄并聚集成粗纳米线，即M₆X₆纳米线前体。进一步的电子辐照使得前体缩窄为均匀且稳定的M₆X₆纳米线。
然而，一个长期困扰科学界的问题始终未解：为什么TMDCs纳米带在电子辐照下会缩窄成纳米线？这一结构转变背后的机制仍是未解之谜。尽管扫描透射电子显微镜（STEM）实验清楚地揭示了TMDCs从纳米带到纳米线的结构转变过程，但M₆X₆纳米线前体的具体原子结构仍然未知。此外，在电子辐照下，前体转变为M₆X₆纳米线的详细结构演变过程也尚未确定。
为解决上述问题，本研究以1H相MoS₂为例，利用第一性原理计算结合一维纳米线的全局结构搜索方法，阐明了电子辐照下TMDCs纳米带转变为M₆X₆纳米线的窄化机制。研究发现，由于边界-边界相互作用急剧增强，宽度小6个环的MoS₂纳米带与对应的纳米线相比在能量上是不利的。这一宽度阈值不仅有助于实验中更准确地定位电子束辐照纳米带的区域，同时也为探索Mo₆S₆纳米线的未知前体Mo_xS_y的结构提供了关键信息。接下来，通过CALYPSO软件解析了实验观察到的前体Mo_xS_y是Mo₁₁S₁₁-i纳米线，其特征为两个平行堆叠的Mo₅S₅五边形构成框架，框架中心插入一条交错的(Mo-S)_∞线性原子链。电子辐照下硫缺陷引起的弯曲效应是MoS₂纳米带转变为纳米线的主要驱动力。纳米带和纳米线之间的晶格失配诱导了局部的内在压缩应变，进而引发了从Mo₁₁S₁₁-i到其姊妹纳米线Mo₁₁S₁₁-ii的相变，后者具有独特的(Mo₁S₁)₅&Mo₆S₆原子构型。在电子束辐照的作用下，Mo₁₁S₁₁-ii经历了一个逐步变窄的过程，每一步伴随着一个Mo₁S₁片段的依次剥落，最终形成坚固的Mo₆S₆纳米线。这种独特的窄化机制对于理解其他TMDCs在电子辐照下从纳米带转变为纳米线的过程具有普遍意义。

图：从MoS₂纳米带到Mo₆S₆纳米线的窄化过程
本研究揭示了电子辐照下单根M₆X₆纳米线的形成机制，为理解TMDCs纳米带在电子辐照下的窄化过程提供了新见解，并为更加合理和针对性地制造1D M₆X₆纳米线奠定了理论基础。
吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室2021级博士刘月（现长春理工大学教师）为本文第一作者，通讯作者为李达教授和崔田教授。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林大学研究生创新基金和吉林大学高性能计算中心的大力支持。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c12428